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stabilité de la durée de vie effective des tranches de silicium à zone flottante avec des schémas de passivation de surface alox sous illumination à température élevée

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stabilité de la durée de vie effective des tranches de silicium à zone flottante avec des schémas de passivation de surface alox sous illumination à température élevée

2016-11-24

abstrait


pour l'application des cellules solaires, la stabilité de la qualité de passivation de l'interface par rapport aux conditions sur le terrain est cruciale. Nous avons effectué une expérience pour tester la résilience de différents schémas de passivation à base d'oxyde d'aluminium pour l'illumination à 75 ° C. différents traitements thermiques pour activer la passivation et / ou simuler le tir de contact ont été réalisés avant le trempage léger. l'expérience a été réalisée sur du silicium à zone flottante de 1 Ωcm de dopage de type p et n. l'étude démontre qu'une bonne qualité de passivation peut être obtenue à la fois par dépôt de couche atomique et par pecvd et que l'ajout de couches de recouvrement en nitrure de silicium améliore grandement la stabilité thermique. sur des plaquettes de type p, une dégradation sévère mais temporaire de la qualité électrique de la masse de plaquettes a été observée pendant les premières heures lors de l'application de telles couches de recouvrement. Outre cet effet, une stabilité temporelle raisonnable de la durée de vie effective a été observée pour les échantillons de type p tandis que les échantillons de type n présentaient une excellente stabilité à long terme.


Mots-clés: flottation zone silicium, passivation d'oxyde d'aluminium, stabilité, trempage léger


1. Introduction

Des améliorations récentes de l'efficacité des concepts de cellules solaires industriellement réalisables ont été

Amélioration de la qualité de la matière en vrac et réduction des pertes de recombinaison sur les surfaces. c'était supporté

par l'émergence de schémas de passivation à base d'oxyde d'aluminium pour application industrielle en raison de leur

propriétés de passivation. la bonne qualité de passivation des couches d'oxyde d'aluminium est bien établie dans la littérature et

démontré par une multitude d'études, par ex. [1] et les références qui s'y trouvent. études concernant la stabilité de

les schémas de passivation se concentrent généralement sur un système et / ou un facteur de stress tels que le stockage sombre, l'éclairage ou l'humidité

conditions d'essai de chaleur [2-4]. pour généraliser les résultats précédents, nous avons effectué une étude comparant plusieurs

différents schémas à une combinaison de facteur de contrainte qui se produit sur le fonctionnement du module photovoltaïque: éclairage à

température élevée.


nomenclature

couches d'oxyde d'aluminium stoechiométriques al2o3 déposées par p-ald

couches d'oxyde d'aluminium alox déposées par pecvd

fz float-zone

lumière létale et dégradation induite par la température élevée

dépôt de la couche atomique activée par plasma p-ald

dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma pecvd

imagerie par photoluminescence pli

traitement thermique rapide rtp

vitesse de recombinaison de surface srv


2. expérimenter


2.1. Préparation de l'échantillon Toutes les expériences ont été réalisées sur des tranches de silicium de zone flottante de quatre pouces (fz). après un nettoyage chimique par voie humide, un traitement d'oxydation à 1050 ° C a été réalisé pour stabiliser la qualité de la masse de la plaquette, comme suggéré par Grant et al. [5]. la couche d'oxyde de silicium résultante a ensuite été décapée. Pour démontrer si le traitement thermique a affecté l'expérience, un groupe d'échantillons de référence n'a pas été soumis à ce traitement. les couches d'oxyde d'aluminium étudiées d'épaisseur 20 ou 30 nm ont été déposées sur les deux faces des plaquettes soit par dépôt atomique activé par plasma (p-ald) à 230 ° C soit par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (pecvd) à 300 ° C. l'application courante de couches d'oxyde d'aluminium dans un environnement industriel est constituée de couches minces coiffées par d'autres couches diélectriques. ces couches fournissent habituellement des fonctions supplémentaires telles que des améliorations optiques ou une structuration simplifiée. des couches de nitrure de silicium a-sinx déposé par pecvd se sont également avérées bénéfiques pour la stabilité des couches de passivation d'oxyde d'aluminium aux traitements thermiques, par ex. [6, 7]. par conséquent, pour une partie des groupes d'échantillons, 100 nm de a-sinx (indice de réfraction 2) ont été déposés par-dessus les couches d'oxyde d'aluminium. après le dépôt, les couches de passivation ont été activées par une variété de traitements thermiques ressemblant à des traitements potentiels dans le traitement des cellules solaires. les échantillons ont été soit recuits dans le gaz de formation à 425 ° C, dans l'air ambiant sur une plaque chauffante à 450 ° C ou dans une atmosphère d'azote dans un four de traitement thermique rapide (rtp) à 650 à 900 ° C. l'incertitude concernant la température réelle de l'échantillon pour ce dernier procédé est estimée dans une fourchette de ± 15 k par rapport aux mesures de thermocouples.

un large éventail de schémas de passivation et de combinaisons de processus thermiques a été étudié dans l'étude. un aperçu des variations étudiées est donné dans la fig. 1.


2.2. les conditions de test et les mesures de caractérisation de la durée de vie effective du porteur de charge minoritaire τeff sur des échantillons de durée de vie symétriques fournissent une mesure de la recombinaison dans la masse de plaquettes et aux interfaces avec la passivation de surface. un testeur de durée de vie wct-120 sinton instruments a été utilisé pour mesurer τeff dans une région de 4 cm de diamètre autour du milieu de la

échantillon. les durées de vie ont été évaluées à une densité de porteur de charge minoritaire fixe de 5 × 1015 cm-3 pour les deux types de dopage.

l'activité de recombinaison dans la plaquette et les changements de la qualité de passivation de surface peuvent facilement être résolus à cette

le niveau d'injection et la mesure dans le centre de la plaquette minimisent l'influence des dommages de manipulation.

la stabilité des schémas de passivation étudiés à l'illumination à température élevée a été réalisée par 1 soleil

éclairage équivalent de la lampe halogène à 75 ° c. les mesures de durée de vie ont été effectuées ex situ, c'est-à-dire que les échantillons ont été

retiré de l'étape de l'échantillon à température contrôlée.

des températures de l'ordre de 75 ° C peuvent se produire dans le fonctionnement du module sur site sous un éclairage intense. tel

les conditions ne s'appliquent évidemment pas continuellement. Cependant, nous nous attendons à ce que ces conditions accélèrent et intensifient

les effets de dégradation possibles alors que, espérons-le, aucun effet n'est déclenché qui ne se produirait pas dans une application réelle. il

Il convient de noter que l'éclairage de la lampe halogène utilisée a représenté une plus petite part des longueurs d'onde UV que le rayonnement solaire.

spectre. d'autre part, cette partie du spectre est souvent absorbée dans les modules conventionnels en verre et cellule solaire

matériaux d'encapsulation.


3. Résultats


3.1. qualité de passivation

un aperçu des meilleures valeurs de τeff mesurées des groupes d'échantillons présentés dans la fig. 1 sont montrés sur la fig. 2. le

La mesure de τeff sur les échantillons montre que les différents schémas de passivation et les processus thermiques

qualité de passivation différente. nous observons que les deux techniques de dépôt de l'oxyde d'aluminium peuvent fournir d'excellents

passivation lorsqu'une couche de coiffage a-sinx est déposée sur le dessus. les échantillons étudiés des groupes 1 et 2 présentent τeff

valeurs proches de la paramétrisation de la limite intrinsèque par Richter et al. [8]. certains échantillons de type n dépassent même la

paramétrage, indiquant une performance de passivation exceptionnelle. certains des échantillons de type p sont légèrement

touchés par la contamination en fer introduite lors du traitement chimique par voie humide, ce qui entraîne une légère diminution

durée de vie. outre les effets induits par le fer, une amélioration de τeff est observée sur certains échantillons lors de l'illumination

à 75 ° C, ce qui indique une amélioration des paramètres d'interface dans le temps. des échantillons qui n'ont pas subi la

L'étape d'oxydation à 1050 ° C (groupe 3) présente un τeff inférieur à celui des échantillons présentant la même passivation de surface après la

prétraitement thermique. les échantillons qui ne comportent pas de couche de recouvrement a-sinx (groupe 4) ont une durée de vie plus courte

niveau, démontrant l'utilité de ces couches.


3.2. activation des défauts en vrac dans le silicium de type p fz.

nous observons que plusieurs échantillons de type p des groupes 1 à 3 (c'est-à-dire présentant une couche de recouvrement) montrent une dégradation

suivi par une récupération de τeff lors de l'illumination à 75 ° C dans les premières heures. un effet similaire a été observé par

Sperber et al. [9] et des exemples sont montrés sur la fig. 3. en fonction de la température de cuisson, nous observons le temporaire

la dégradation est sévère. les échantillons chauffés à haute température présentent des durées de vie d'injection aussi faibles que 30 μs

courbe minimale, tandis que les échantillons cuits à des températures modérées ne montrent qu'une légère dégradation. un motif caractéristique

est vu dans l'imagerie par photoluminescence et un traitement de re-passivation à température ambiante démontre de manière concluante

l'effet à provoquer par des défauts de recombinaison-actifs dans le volume de la plaquette. une enquête approfondie et une discussion de

l'effet peut être trouvé dans la réf.


3.3. stabilité à long terme

les évolutions temporelles de τeff mesurées sur les échantillons des groupes 1 et 2 sont montrées sur la fig. 3. le type n

les échantillons présentent une excellente stabilité tout au long de l'expérience. la progression des échantillons de type p est

dominé par les défauts en vrac discutés dans la section 3.2 (et référence [10]) dans les dix à vingt premières heures. ensuite,

les durées de vie sont stables à un niveau élevé pendant 1000 heures, suivies d'une légère dégradation. les échantillons passivés par

les couches d'oxyde d'aluminium nu (groupe 4) ont présenté une dégradation légère mais régulière du τeff mesuré (non représenté).

cependant, l'imagerie par pl a révélé que la dégradation provenait des dommages de surface liés à la manipulation des échantillons de la

couches minces. En raison du niveau de vie global plus faible, nous ne pouvons exclure l'effet observé sur les échantillons de type p coiffés.

se produire sur des couches d'oxyde d'aluminium nu, pour le moment. les progressions mesurées de tous les groupes d'échantillons et une

la discussion peut être trouvée dans la réf.

4. Conclusion

Nous avons effectué une expérience avec une variété de schémas de passivation à base d'oxyde d'aluminium déposés sur des plaquettes de silicium fz de 1 Ωcm p et de type n. ils ont été soumis à différents traitements d'activation thermique pour étudier la qualité de passivation résultante et sa stabilité à l'illumination à température élevée. les durées de vie effectives mesurées démontrent que les couches d'oxyde d'aluminium peuvent fournir une très bonne qualité de passivation. les durées de vie mesurées sur certains échantillons de type n dépassent même systématiquement la paramétrisation actuelle de la recombinaison intrinsèque donnée par Richter et al. [8]. ceci indique une excellente qualité de passivation et suggère que le paramétrage est trop conservateur.

les essais de stabilité ont été effectués par illumination de lampe halogène avec une intensité d'équivalent solaire à 75 ° C pendant plusieurs milliers d'heures. une excellente stabilité des échantillons de type n passivés par l'oxyde d'aluminium et protégés par une couche de coiffage a-sinx a été observée. Les échantillons de type p traités de la même manière présentaient une dégradation significative mais temporaire de la durée de vie en vrac et une légère dégradation pour des durées d'éclairage supérieures à 1000 heures. les conditions expérimentales (c'est-à-dire principalement la température élevée constante) entraînent une accélération significative des effets par rapport à l'application sur le terrain. par conséquent, les résultats simulent une application sur le terrain de plusieurs années et, par conséquent, la dégradation observée ne devrait pas être très dommageable pour le fonctionnement du module. cependant, l'effet devrait être gardé à l'esprit pour l'interprétation des études effectuées dans de telles conditions, par ex. études de letid ou la stabilité de l'état de défaut bo stabilisé.

la stabilité à long terme des schémas de passivation étudiés est discutée en détail dans la réf. [11]. la dégradation est liée à la formation de défauts dans le volume de la plaquette et constitue le sujet principal de la réf.


remerciements

ce travail a été soutenu par le ministère fédéral allemand des affaires économiques et de l'énergie bmwi et par les partenaires de l'industrie au sein du pôle de recherche solarlife sous contrat no. 0325763a. les auteurs sont responsables du contenu.


source: sciencedirect


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